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Künstliches Herz : Organ aus dem 3-D-Drucker

  • -Aktualisiert am

Mit virtueller Realität direkt ins Herz der Immigranten – Iñárritus Sechseinhalb-Minuten-Installation in Cannes. Bild: Neil Kellerhouse

Forscher konstruieren eine künstliche Herzkammer und Muskelzellen, die synchron schlagen. Noch fehlt Entscheidendes, damit Ersatzorgane aus dem 3-D-Drucker entstehen können.

          Organe und Gewebe aus dem 3-D-Drucker gehören zu den Hoffnungsträgern der Medizin. Allerdings macht den Forschern die Formstabilität und die Detailgenauigkeit der gedruckten Organe und Gewebe zu schaffen. Adam Feinberg von der Carnegie-Mellon-Universität in Pittsburgh und seine Kollegen haben jetzt erstmals eine linke Herzkammer aus Kollagen und Herzmuskelzellen gedruckt, die synchron schlagen kann und bei der sich die Wand beim Zusammenziehen um 14 Prozent verdickt. Ein von Tal Dvir von der Universität in Tel Aviv vor wenigen Wochen vorgestelltes „Mini-Herz“ konnte dies noch nicht. Damit haben Feinberg und seine Kollegen einen wichtigen Schritt in Richtung Anwendung gemacht.

          Formstabilität und Detailgenauigkeit beim 3-D-Druck sind wichtige Voraussetzungen für eine realitätsnahe Reproduktion von Organen und Geweben. Biomaterialien wie Alginat, Kollagen und Fibrin, aus denen die Organ- und Gewebegerüste gefertigt werden, sind allerdings im Gegensatz zu technischen Materialien wie Kunststoff, Metall oder Epoxidharz nicht standfest, wenn sie auf eine Oberfläche gedruckt werden. Sie sacken schon nach wenigen Schichten wie ein Wackelpudding unter ihrem Gewicht zusammen.

          Biomaterialien steifer zu machen ist keine nachhaltige Lösung, weil dann auch die daraus gefertigten Organ- und Gewebegerüste steifer und kompakter werden, was das Anwachsen und Vermehren der mitgeführten Zellen beim Nachreifen der gedruckten Strukturen erschwert. Wegen der mangelnden Detailgenauigkeit ist es bisher auch noch nicht gelungen, in den gedruckten Organ- und Gewebegerüsten ein Netzwerk aus filigranen Blutgefäßen zu installieren – eine wichtige Voraussetzung für die Versorgung sämtlicher Zellen und damit für den Einsatz in der Medizin.

          Ein Mini-Herz aus dem 3D-Drucker aus dem Labor in Tel Aviv.

          Eine menschliche Niere verfügt zum Beispiel über 25 Kilometer feinster Kapillaren für die Filtration des Blutes. Adam Feinberg und seine Kollegen haben jetzt erstmals Strukturen aus natürlichem, nicht durch Zusätze verändertem Kollagen gedruckt, wobei die Kollagenfasern einen Durchmesser von 20 Mikrometern hatten. Das entspricht dem Durchmesser feiner Haare. Wurden dem Kollagen beim Drucken zudem der Wachstumsfaktor für Blutgefäße und weitere wichtige Komponenten zugesetzt, bildete sich beim Nachreifen des Kollagengerüsts im Labor auch ein Netzwerk aus feinen Blutgefäßen, wie die Forscher in „Science“ schreiben (10.1126/science. aav9051). „Wir haben gezeigt, dass wir Teile des Herzens aus Kollagen und Zellen drucken können, die dann funktionieren“, meint Feinberg. Darunter seien eine Herzklappe und ein kleiner schlagender Ventrikel gewesen. Mit den MRT-Daten eines menschlichen Herzens sei es zudem möglich gewesen, die patientenspezifischen anatomischen Strukturen genau zu reproduzieren.

          Wie sind diese Ergebnisse zustande gekommen? Durch die Weiterentwicklung einer Methode, die Feinberg schon vor vier Jahren publiziert hat und die den Namen „Fresh“ trägt. Damals haben die Forscher gezeigt, dass sich Biomaterialien am besten in einer Schale mit winzigen Gelatinekügelchen drucken lassen, also in einem Volumen, nicht auf einer Oberfläche. Dabei stabilisieren die Kügelchen das aus dem Drucker austretende Kollagen.

          Die Neuerung besteht nun darin, dass Feinberg und seine Kollegen die Verfestigung des Kollagens durch eine sehr schnelle Änderung des pH-Wertes präzise steuern können, so dass die Strukturen mit einer zehnfach höheren Auflösung als noch vor vier Jahren gedruckt werden. Nach dem Druck und dem Verfestigen des Kollagens werden die Gelatinekügelchen bei 37 Grad Celsius geschmolzen und weggewaschen, so dass nur noch das gedruckte Gerüst übrigbleibt. Die hohe Detailgenauigkeit erreichten die Wissenschaftler zudem auch durch die Verwendung besonders kleiner Gelatinekügelchen.

          Trotz der Fortschritte ist es noch ein weiter Weg, bis ein 3-D-Drucker wirklichkeitsnahe Kopien von Organen und Geweben produziert. Die regenerative Medizin muss auch noch die Frage beantworten, ob der Satz, dass die Form der Funktion folgt, auch in umgekehrter Richtung gilt – dass die Funktion also auch der Form folgt. Wird es genügen, allein die Form eines Organs oder eines Gewebes zu kopieren, um einen perfekten Ersatz zu erhalten, oder wird weit mehr nötig sein?

          Derzeit ist noch nicht klar, welche Entwicklung schneller in der Medizin ankommen wird: Gewebe und Organe aus dem 3-D-Drucker, die durch Selbstorganisation von Stammzellen gebildeten „Organoide“ oder in Tieren produzierte menschliche Organe, deren Entwicklung beispielsweise in Japan vorangetrieben wird.

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